光纖布拉格光柵低頻加速度傳感器技術(shù)研究.pdf

1、光纖布拉格光柵（FBG）加速度傳感器以其高靈敏度、高精度、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)，在低頻振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。本文主要對(duì)FBG低頻加速度傳感器的探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信號(hào)檢測(cè)兩大關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，取得了以下研究結(jié)果：
　?。?）從FBG的傳感原理和加速度傳感器的模型出發(fā)，分析了FBG加速度傳感器的基本設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)了一種基于L形剛性梁與彈性膜片結(jié)構(gòu)的單FBG加速度傳感器，進(jìn)行了理論分析，通過(guò)仿真考察了各結(jié)構(gòu)參量對(duì)傳感器靈敏度和諧振頻率

2、的影響，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了提高傳感器的抗干擾能力，設(shè)計(jì)了一種基于雙FBG對(duì)稱(chēng)推挽式結(jié)構(gòu)的加速度傳感器，并進(jìn)行了傳感特性分析。
　　（2）針對(duì)單FBG結(jié)構(gòu)的加速度傳感器，構(gòu)建了基于非平衡Michelson干涉儀的相位產(chǎn)生載波（PGC）調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，研究了影響系統(tǒng)相干度的因素，通過(guò)控制干涉儀的臂差有效提高了系統(tǒng)輸出信號(hào)的質(zhì)量，并采用PGC技術(shù)和法拉第旋鏡偏振控制技術(shù)分別消除了隨機(jī)相移和偏振衰落的干擾。針對(duì)雙FBG結(jié)構(gòu)的加速度傳感器

3、，則構(gòu)建了強(qiáng)度解調(diào)型的匹配光柵法解調(diào)系統(tǒng)，理論及仿真分析表明：強(qiáng)度型解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)處理過(guò)程方便。并因?yàn)閮善ヅ銯BG構(gòu)成推挽且一起封裝于傳感器中，所以該系統(tǒng)具有自動(dòng)補(bǔ)償噪聲引起的FBG波長(zhǎng)漂移的功能。
　?。?）為了提高所設(shè)計(jì)的低頻振動(dòng)傳感器的性能，研究了傳感用 FBG的制備方法。理論分析了影響FBG反射率和線(xiàn)寬的因素，研制了一套可控溫型光纖載氫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光纖的快速光敏化，將載氫周期縮短至了24個(gè)小時(shí)，并通過(guò)提高光纖光敏性

4、寫(xiě)入了柵區(qū)長(zhǎng)度5mm、反射率高達(dá)99.93％而3dB帶寬僅為0.13nm的窄線(xiàn)寬微型光纖光柵，用于單FBG傳感系統(tǒng)?；谛碌目?hào)畔到y(tǒng)及特殊結(jié)構(gòu)的遮光板，通過(guò)控制刻?hào)艜r(shí)不同區(qū)域的曝光時(shí)間與FBG的中心波長(zhǎng)，制備了匹配效果良好、反射譜分布符合仿真分析中矩形函數(shù)的切趾型匹配光柵對(duì)。
　?。?）完成了兩種加速度傳感器的制作并分別進(jìn)行了低頻信號(hào)傳感性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單FBG加速度傳感器的諧振頻率為115Hz，在20 Hz-70 Hz的

5、低頻段具有平坦的靈敏度響應(yīng)，平均加速度靈敏度為200 pm/g，與理論分析所得的靈敏度231.9 pm/g、諧振頻率99.3 Hz的結(jié)果比較符合。線(xiàn)性響應(yīng)的相關(guān)度為99.98%，在工作頻段內(nèi)橫向串?dāng)_為-32.73dB。雙FBG加速度傳感器則主要對(duì)20Hz以下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，在2Hz-5Hz的頻段靈敏度仍可達(dá)188pm/g，線(xiàn)性響應(yīng)相關(guān)度在99%以上。對(duì)1Hz與0.5Hz的甚低頻振動(dòng)測(cè)量同樣得到了質(zhì)量較好的輸出信號(hào)，證明了該FBG低